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Industrielle Automation 3/2018

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Industrielle Automation 3/2018

Umweltverträglich

Umweltverträglich kühlen Elektrokalorischer Effekte mithilfe thermografischer Messmethoden darstellen Kühlmittel, die in modernen Kühl- und Gefriergeräten zum Einsatz kommen und dabei in den gasförmigen Zustand übertreten, stellen je nach Substanz eine Umweltbelastung dar. Das Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST) forscht an Möglichkeiten, Nanomaterialien als Alternative für derartige Anwendungen nutzbar zu machen. Wärmebildkameras liefern hierfür wichtige Erkenntnisse in der Materialforschung. Das Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST) ist ein Forschungsund Technologieinstitut des Research and Innovation Campus von Luxemburg in Esch-Belval. Hier werden Universität, Forschungszentren, Laboratorien, Startups und Inkubatoren zusammengeführt. Eine Abteilung ist die Gruppe „Materialforschung und -technologie“ (MRT). Sie sucht nach Wegen, Nanotechnologie und Nanomaterialien für anwendungsbezogene Lösungen einzusetzen. Zu den Forschungsthemen gehört unter anderem wie Feststoffe, die den elektrokalorischen Effekt zeigen, als Kühlsysteme beispielsweise für Elektronik eingesetzt werden können. Joachim Sarfels, Sales Manager Science, Flir Systems GmbH, Frankfurt a. M.; Frank Liebelt, freier Journalist, Frankfurt am Main Der elektrokalorische Effekt Der elektrokalorische Effekt ist ein Phänomen, bei dem eine polarisierbare Substanz durch die Aktivierung und Deaktivierung elektrischer Felder reversiblen Temperaturänderungen ausgesetzt wird. Der elektrokalorische Effekt in dünnen Schichten könnte sich für besonders effiziente Kühlund Gefriergeräte sowie Kühlsysteme für leistungsstarke elektronische Geräte nutzbar machen lassen. Wird ein elektrokalorisches Material einem elektrischen Feld ausgesetzt, steigt dessen Temperatur. Wird das Feld schwächer, sinkt die Temperatur. „Wir haben einen Prototyp eines elektrokalorischen Kühlschranks gebaut, um diesen mit einem herkömmlichen Kühlschrank zu vergleichen“, sagt Romain Faye, Forscher am LIST. „Der Vorteil dieser Technologie ist, dass elektrokalorische Kühlschränke einen höheren Wirkungsgrad 01 High-End-Thermografiekameras erzeugen Wärmebilder mit 640 × 512 Pixeln und nehmen schnelle, dynamische Szenen bis 355 Hz auf haben und keine potenziell umweltschädlichen Flüssigkeiten brauchen.“ Für das Testen der Kühlrate des Kühlschranks setzen die Forscher der Gruppe „Ferroic Materials for Transducers“ Vielschichtkondensatoren ein. Diese bestehen aus dutzenden oder hunderten 10 bis 40 µm starken Keramikschichten, die durch mehrere Mikrometer starke Metallelektroden getrennt sind, welche im Wechsel mit zwei externen Anschlüssen verbunden sind. Die Kühlrate des Kühlschranks kann über den elektrokalorischen Effekt erhöht werden, indem die Frequenz des elektrischen Feldes erhöht wird. Wichtig ist dabei, dass die generierte Wärme mit der Umgebung ausgetauscht werden kann, bevor das Feld abgeschaltet wird. So kann eine Temperatur erreicht werden, die unter der Umgebungstemperatur liegt. „Wir wollen eine möglichst rasche Wärmeübertragung erreichen“, sagt Romain Faye. „Wir versuchen zu ergründen, wie der Wärmeübertragungsprozess durch das Material selbst begrenzt wird, zum Beispiel durch die thermische Leitfähigkeit oder durch die Form des Materials. Wenn die Wärmeübertragung hinreichend schnell erfolgt, könnte es möglich sein, das Feld mehrmals pro Sekunde ein- und auszuschalten.“ 70 INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2018

02 Kompakte Hochfrequenz-Kameras liefern Aufschluss über den Wirkungsgrad z. B. von Vielschichtkondensatoren (Infrarot-Bild) Schnelle Wärmeübertragungen 03 Die Wärmebildkamera erfasst kalorische Effekte und das thermische Verhalten von Materialien sowohl zeitlich als auch räumlich Durch die Messung des elektrokalorischen Effekts erhoffen sich die Forscher genauere Erkenntnisse über die Nutzbarkeit dieses Phänomens für Kühlanwendungen. „In der Vergangenheit haben Forscher überwiegend indirekte Messungen durchgeführt, bei denen der elektrokalorische Effekt aus der Messung der Polarisierung als Funktion von Temperatur und Spannung abgeleitet wurde, nicht aus realen Temperaturmessungen“, sagt Romain Faye. „Sie haben jedoch nicht immer zu korrekten Interpretationen geführt. Deshalb wollten wir direkte Temperaturmessungen anwenden.“ Die verbreitesten Messvorrichtungen für direkte Messungen von Temperaturänderungen sind thermoelektrische Elemente und Wärmebildkameras. Erstere sind elektrische Geräte, die Spannungsänderungen im Zusammenhang mit Temperaturänderungen messen. Wärmebildkameras messen Änderungen der Infrarotstrahlung im Zusammenhang mit Temperaturänderungen. „Thermoelektrische Elemente haben sich bei unseren Versuchen nicht als praktikabel erwiesen“, sagt Romain Faye. „Wir untersuchen sehr schnelle Temperaturänderungen, die auf sehr kleinen Oberflächen durch elektrischen Strom induziert werden. Thermoelektrische Elemente bieten nicht die nötige Präzision. In Wärmebildaufnahmen können wir dagegen schnelle Wärmeübertragungen zwischen Materialien und Umwelt sichtbar machen.“ Temperaturänderungen präzise protokollieren Kompakte Hochfrequenz-Wärmebildkameras wie die Flir X6580sc können präzise und empfindliche Bilder kalorischer Effekte und des thermischen Verhaltens von Materialien liefern, sowohl zeitlich als auch räumlich. Für die Untersuchung des thermischen Verhaltens von Oxiden setzt LIST die Kamera Flir X6580sc und ein Objektiv ein, das eine bis zu dreifache Vergrößerung ermöglicht. Die gemessene thermische Variabilität ist eine Funktion des elektrischen Feldes bei einer thermischen Empfindlichkeit zwischen 20 mK und 4 K. Die Flir X6580sc ist eine High-End-Wärmebildkamera für Forschung und Wissenschaft, die Wärmebilder mit 640 × 512 Pixeln generiert und schnelle dynamische Szenen bis 355 Hz aufnehmen kann. Die Kamera bietet auch einen sehr guten thermischen Kontrast. Echtzeit-Analyse und Dokumentation inklusive Die LIST-Forscher haben die Kamera mit der Software Flir ResearchIR für thermische Messungen, Aufzeichnung und Echtzeitanalyse kombiniert. Die Software bietet die Möglichkeit, die vom elektrischen Feld ausgelösten Temperaturänderungen zu protokollieren. Außerdem kann sie zur besseren Unterscheidung zwischen dem vom Feld induzierten Bild und dem Bildrauschen beitragen. Deshalb können die Wärmebilder mit mehr Details dargestellt werden. „Das Team des Infrarot-Spezialisten hat uns dabei geholfen, eine effiziente Kamera- Anordnung einzurichten und die Kamera- Einstellungen für optimale Ergebnisse anzupassen. Dank der vielversprechenden und aussagekräftigen Ergebnisse konnten wir bereits ein Folge-Forschungsprojekt beginnen“, bekräftigt Romain Faye zufrieden. www.flir.de BILDVERARBEITUNG ‒ SCHLÜSSELTECHNOLOGIE FÜR INDUSTRIE 4.0 VISION. RIGHT. NOW. AUTOMATICA 19. ‒ 22. Juni 2018, München Halle B5, Stand 502 WWW.STEMMER-IMAGING.COM

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